一種基于規(guī)整性碳納米管條紋陣列的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于規(guī)整性碳納米管條紋陣列的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法。該晶體管單元結(jié)構(gòu)為：底層為底電極層(1)；中間層依次為鐵電薄膜絕緣柵層(2)和規(guī)整性碳納米管條紋陣列溝道層(3)，規(guī)整性碳納米管條紋陣列溝道層(3)上為頂層，頂層為晶體管源極(4)和漏極(5)；所述的碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管。該鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)態(tài)電流大、開(kāi)關(guān)比大、載流子遷移率高、開(kāi)啟電壓小、存儲(chǔ)窗口寬，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需要緩沖層、鐵電層和半導(dǎo)體層界面接觸好、容易實(shí)現(xiàn)大面積及柔性器件的優(yōu)勢(shì)。所述的制備方法工藝簡(jiǎn)單、操作方便、不需要昂貴設(shè)備、成本低廉，易于大面積、規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】—種基于規(guī)整性碳納米管條紋陣列的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于存儲(chǔ)器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于規(guī)整性碳納米管條紋陣列的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵電存儲(chǔ)器具有非揮發(fā)性、低功率、高讀寫速率、高存儲(chǔ)密度、優(yōu)異的抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，在電子信息、航空航天、儀器儀表和國(guó)防等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。晶體管型鐵電存儲(chǔ)器是一種較為理想的鐵電存儲(chǔ)器構(gòu)型，其單元僅由一個(gè)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Ferroelectric field effect transistor,簡(jiǎn)稱FeFET)組成，與電容型鐵電存儲(chǔ)器相比，它具有非破壞性讀出、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)密度更高、功耗更低等優(yōu)點(diǎn)。鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管是采用鐵電薄膜作為晶體管的絕緣柵層，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的作為絕緣層的SiO2薄膜。典型的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的物理結(jié)構(gòu)是金屬/鐵電/硅(MFS)或者金屬/鐵電/絕緣層/硅(MFIS)頂柵結(jié)構(gòu)。這種傳統(tǒng)的頂柵結(jié)構(gòu)的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管存在界面擴(kuò)散、退極化場(chǎng)和制備工藝復(fù)雜等問(wèn)題，制約了其進(jìn)一步的應(yīng)用。近年來(lái)，研究者開(kāi)發(fā)了一種新型的底柵結(jié)構(gòu)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管。該結(jié)構(gòu)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比頂柵結(jié)構(gòu)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管來(lái)說(shuō)，制備工藝簡(jiǎn)單、不需要緩沖層、鐵電層和半導(dǎo)體層直接接觸，并且容易實(shí)現(xiàn)全外延結(jié)構(gòu)和柔性器件。然而，底柵結(jié)構(gòu)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管通常選用Zn0、Sn02等氧化物半導(dǎo)體作為溝道層材料，在氧化物半導(dǎo)體和鐵電薄膜界面容易產(chǎn)生過(guò)多的缺陷，這些都導(dǎo)致不能獲得優(yōu)良性能的底柵結(jié)構(gòu)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
[0003]碳納米管是一種新型的溝道材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、較高的載流子遷移率、價(jià)格便宜，而且理想的碳納米管表面沒(méi)有懸空鍵從而可以減少碳納米管/鐵電薄膜界面反應(yīng)形成良好的界面，因此，研究者最近開(kāi)發(fā)了碳納米管溝道鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管。但是，目前用作鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道的碳納米管的形態(tài)是單根的碳納米管或者網(wǎng)絡(luò)狀的碳納米管。單根碳納米管作為鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道層時(shí)，被選用的單根碳納米管表現(xiàn)出半導(dǎo)體性能，一般采用電子束光刻或者在原子力顯微鏡下操作，這些方法不僅操作繁瑣復(fù)雜、設(shè)備昂貴、且源漏電極沉積困難；另外，單根碳納米管作溝道層的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開(kāi)態(tài)電流較小，給碳納米管在器件方面的應(yīng)用帶來(lái)了極大的困難和復(fù)雜性。網(wǎng)絡(luò)狀碳納米管作為鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道層時(shí)，一般采用溶膠凝膠法制備網(wǎng)絡(luò)狀碳納米管，其操作方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但網(wǎng)絡(luò)狀碳納米管溝道中混有大量金屬性的碳納米管，盡管可以獲得較大的開(kāi)態(tài)電流，但是這些金屬性的碳納米管很容易相互導(dǎo)通，從而會(huì)減小晶體管的開(kāi)關(guān)比，限制了碳納米管在器件方面的進(jìn)一步應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種開(kāi)態(tài)電流大、開(kāi)關(guān)比大、載流子遷移率高、開(kāi)啟電壓小、存儲(chǔ)窗口寬，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需要緩沖層、鐵電層和半導(dǎo)體層界面接觸好、容易實(shí)現(xiàn)柔性器件的基于規(guī)整性碳納米管條紋陣列的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
[0005]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種制備工藝簡(jiǎn)單、操作方便、不需要昂貴設(shè)備、成本低，所制備的碳納米管條紋陣列規(guī)整、結(jié)構(gòu)均勻，且可實(shí)現(xiàn)大面積制備的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法。
[0006]本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0007]—種基于規(guī)整性碳納米管條紋陣列的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該晶體管單元結(jié)構(gòu)為:底層為底電極層(I);中間層依次為鐵電薄膜絕緣柵層(2)和規(guī)整性碳納米管條紋陣列溝道層(3);規(guī)整性碳納米管條紋陣列溝道層(3)上為頂層，頂層為晶體管源極(4)和漏極(5);所述的碳納米管為單壁碳納米管(SWCNT)、雙壁碳納米管(BWCNT)或多壁碳納米管(MWCNT)。
[0008]碳納米管條紋的寬度為0.05-100 μ m,碳納米管條紋的厚度為50_500nm，碳納米管條紋的間距寬度為15-70 μ m。
[0009]源極(4)和漏極(5)之間的距離為晶體管溝道長(zhǎng)度,其值為0.05-2000 μ m ;垂直于晶體管溝道長(zhǎng)度的源極(4)和漏極(5)的寬度是晶體管溝道寬度，其值為50-5000 μ m。
[0010]所述的底電極層材料為Pt、Au、Al、T1、Sn:1n2O3> LaNiO3^ SrRuO3中的任意一種。
[0011]所述的鐵電薄膜材料為鈦酸鉛(PTO)、鈦酸鋇(BTO)、鉭酸鍶鉍(SBT)、鈦酸鉍(BIT)、鐵酸鉍(BFO)中的任意一種，或?yàn)閾诫sLa、Nd、Sr、Zr、Mn、V、W、Mo元素中的一種或幾種的上述鐵電薄膜材料中的任意一種。
[0012]所述的鐵電薄膜的厚度為50_500nm。
[0013]所述源極和漏極的材料為Pt、Au、Al、T1、Sn:1n2O3> LaNiO3^ SrRuO3或石墨烯中的
任意一種。
[0014]所述鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備包括如下步驟:[I]采用真空蒸發(fā)鍍膜法或者脈沖激光沉積法生長(zhǎng)底電極層；[2]采用溶膠-凝膠法、激光分子束外延法、金屬有機(jī)氣相沉積法、脈沖激光沉積法或者磁控濺射法生長(zhǎng)鐵電薄膜絕緣柵層；[3]生長(zhǎng)規(guī)整性碳納米管條紋陣列溝道層:稱取碳納米管放入1，2-二氯乙烷有機(jī)溶劑中，進(jìn)行超聲分散得到分散溶液，之后進(jìn)行離心，收集離心管中的上層分散液，得到碳納米管前驅(qū)體溶液；將已經(jīng)制備了底電極層和鐵電薄膜絕緣柵層的基底傾斜置于碳納米管前驅(qū)體溶液中，連同盛有前驅(qū)體溶液的裝置一起放入恒溫箱中在50-90°C下進(jìn)行碳納米管恒溫自組裝，直到溶劑完全揮發(fā)得到規(guī)整排列的碳納米管條紋陣列；[4]在規(guī)整排列的碳納米管條紋陣列上面放上掩膜板，采用濺射方法生長(zhǎng)晶體管的源極和漏極。
[0015]所述的規(guī)整性碳納米管條紋陳列的生長(zhǎng)方法中，所述的碳納米管前驅(qū)體溶液濃度為2-30mg/L ;所述的基底傾斜角度為60-90°為宜。
[0016]本發(fā)明的有益效果
[0017]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明首次嘗試以碳納米管條紋陣列作為鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道層，且所述的碳納米管條紋陣列是規(guī)整性的，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的產(chǎn)品具有開(kāi)態(tài)電流大、開(kāi)關(guān)比大、載流子遷移率高、開(kāi)啟電壓小、存儲(chǔ)窗□寬，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需要緩沖層、鐵電層和半導(dǎo)體層界面接觸好。發(fā)明人通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比還發(fā)現(xiàn)本發(fā)明相對(duì)單根碳納米管基鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管和網(wǎng)絡(luò)狀碳納米管基鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管來(lái)說(shuō)，它同時(shí)具有大的開(kāi)態(tài)電流、大的開(kāi)關(guān)比、高的載流子遷移率。另外，由于所述的碳納米管條紋陣列是規(guī)整性的，有利于后續(xù)器件的制備和應(yīng)用，例如集成電路，鐵電存儲(chǔ)器等。而且本發(fā)明的規(guī)整性碳納米管條紋陣列是可以通過(guò)工藝過(guò)程控制自組裝而成，不需要刻蝕等昂貴繁瑣的工藝，整套制備方法具有工藝簡(jiǎn)單、制備的晶體管器件性能穩(wěn)定、操作方便、成本低廉的優(yōu)勢(shì)，有利于容易實(shí)現(xiàn)器件的規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)；此外，碳納米管條紋陣列與鐵電薄膜之間的界面反應(yīng)少、界面缺陷少、接觸性好，且鐵電薄膜具有高的介電常數(shù)和大的極化。與以氧化物做半導(dǎo)體溝道層的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比，該鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有較小的開(kāi)啟電壓和較寬的存儲(chǔ)窗口。此夕卜，本發(fā)明所述的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管為底柵結(jié)構(gòu)，其單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要緩沖層，對(duì)基底依賴性小，基底材料可以是硅、玻璃、藍(lán)寶石、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，這有利于降低生產(chǎn)成本、拓寬應(yīng)用領(lǐng)域和實(shí)現(xiàn)器件的柔性化。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為基于規(guī)整性碳納米管條紋陣列的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的單元結(jié)構(gòu)示意圖:1為底電極層，2為鐵電薄膜絕緣柵層，3為規(guī)整性碳納米管條紋陣列溝道層，4和5分別為源極和漏極；
[0019]圖2為實(shí)施例1所得的規(guī)整性碳納米管條紋陣列形貌的金相顯微鏡圖；
[0020]圖3為實(shí)施例1所得的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線；
[0021]圖4為實(shí)施例1所得的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線；
[0022]圖5為實(shí)施例1所得的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性及其線性擬合曲線；
[0023]圖6為實(shí)施例1所得的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的存儲(chǔ)特性曲線；
[0024]圖7為對(duì)比例I所得的以網(wǎng)絡(luò)碳納米管作溝道的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線.[0025]圖8為對(duì)比例I所得的以網(wǎng)絡(luò)碳納米管作溝道的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線.[0026]通過(guò)圖7、圖8與圖3、圖4的對(duì)比可以看出，與網(wǎng)絡(luò)碳納米管作溝道的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比，以碳納米管條紋陣列作為溝道的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有好的晶體管的輸出性能和較大的開(kāi)關(guān)比。
【具體實(shí)施方式】
[0027]以下實(shí)施例旨在說(shuō)明本發(fā)明而不是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步限定。
[0028]實(shí)施例1
[0029]本實(shí)施例是在單晶Si基底上制備以Pt為底電極材料、Bi3.15Nd0.85Ti3012 (簡(jiǎn)稱BNT)為鐵電薄膜絕緣柵材料、規(guī)整性MWCNT條紋陣列為溝道材料、Pt為源極和漏極材料的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具體步驟如下:
[0030](I)生長(zhǎng)Pt底電極
[0031]清洗單晶Si片，將Pt靶材放置于靶材架上，通過(guò)真空蒸發(fā)鍍膜法沉積Pt金屬底電極，為了提高Pt和基底Si的粘結(jié)性，在Pt底電極與Si基底之間還生長(zhǎng)了 Ti和Si02。
[0032](2)生長(zhǎng)BNT鐵電薄膜
[0033]采用溶膠-凝膠法。首先，配制BNT前驅(qū)體溶液，其過(guò)程為:稱取硝酸鉍晶體和硝酸釹粉末各1.69785g和0.386495g，加入到3mL的冰醋酸中至完全溶解；再加入0.5mL滴乙酰丙酮，攪拌溶解；之后稱取1.0419g的鈦酸四丁酯加溶液中，繼續(xù)攪拌溶解，最后加入適量的乙二醇甲醚，將溶液稀釋至20mL。靜置一周，過(guò)濾得到濃度為0.05mol/L的橙黃色透明BNT前驅(qū)體溶液。
[0034]其次，制備BNT薄膜，其過(guò)程為:將BNT溶液鋪滿已生長(zhǎng)了底電極層的基底，先以500r/min低轉(zhuǎn)速勻膠8s，再以4000r/min的高轉(zhuǎn)速勻膠40s，使得BNT溶液均勻的旋涂在已鍍底電極的基底上，獲得BNT凝膠濕膜。BNT薄膜的制備過(guò)程采用逐層退火，熱處理過(guò)程為:①180°C,5min ;@ 400°C，5min ;(D 700°C，lOmin。取出樣品繼續(xù)旋涂BNT薄膜，重復(fù)上述過(guò)程6次，得到厚度為370nm的BNT薄膜。
[0035](3)生長(zhǎng)規(guī)整性MWCNT條紋陣列
[0036]首先，配制MWCNT前驅(qū)體溶液，其過(guò)程為:稱取IOmg的MWCNT放入IOOmL的1，2- 二氯乙烷溶劑中，進(jìn)行超聲分散。分散溶液靜止放置2h之后，進(jìn)行高速離心，離心速率為8000r/min。收集離心管中上層分散液，得到MWCNT前驅(qū)體溶液。
[0037]其次，制備規(guī)整性MWCNT條紋陣列，其過(guò)程為:稀釋所制備的MWCNT前驅(qū)體溶液至濃度為8mg/L、取8ml溶液加入到小容器瓶中；將已制備底電極和鐵電薄膜絕緣柵的基底傾斜插入溶液中，其傾斜角度為80° ;將整個(gè)裝置置入恒溫箱中，其溫度為65°C。待溶液完全揮發(fā)后，得到規(guī)整排列的MWCNT條紋陣列。條紋寬度為20 μ m、條紋厚度為170nm、條紋間距寬度為30 μ m。
[0038](4)生長(zhǎng)源極和漏極
[0039]將掩膜版覆蓋在MWCNT條紋陣列上，將Pt靶材置于靶材架上，通過(guò)掩膜版采用直流濺射儀制備源漏電極，其溝道長(zhǎng)度為100 μ m,寬度為1050 μ m。
[0040]為了測(cè)試本實(shí)施例的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能，將樣品置于管式退火爐中于氮?dú)鈿夥罩?00°C下退火8min，以保證源漏電極與溝道層的良好接觸。采用安捷倫B1500A型半導(dǎo)體器件分析儀測(cè)試鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出特性(如圖3)、轉(zhuǎn)移特性(如圖4)、存儲(chǔ)特性(如圖6)，得到開(kāi)態(tài)電流為1.5X10_2A、開(kāi)關(guān)比為104、存儲(chǔ)窗口為4.38V;以及通過(guò)對(duì)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線進(jìn)行線性擬合(如圖5)，計(jì)算得到載流子遷移率為94.47cmW1，開(kāi)啟電壓為1.6V。
[0041]對(duì)比例I
[0042]本對(duì)比例是在單晶Si基底上制備以Pt為底電極材料、BNT為鐵電薄膜絕緣柵材料、網(wǎng)絡(luò)狀MWCNT為溝道材料、Pt為源極和漏極材料的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具體步驟如下:
[0043](I)生長(zhǎng)Pt底電極
[0044]同實(shí)施例1
[0045](2)生長(zhǎng)BNT鐵電薄膜
[0046]同實(shí)施例1
[0047](3)生長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)狀MWCNT
[0048]首先，配制MWCNT前驅(qū)體溶液，其過(guò)程為:稱取IOmg的MWCNT放入IOOmL的1，2- 二氯乙烷溶劑中，進(jìn)行超聲分散。分散溶液靜止放置2h之后，進(jìn)行高速離心，離心速率為8000r/min。收集離心管中上層分散液，得到MWCNT前驅(qū)體溶液。
[0049]其次，制備網(wǎng)絡(luò)狀MWCNT薄膜，其過(guò)程為:將MWCNT溶液鋪滿已生長(zhǎng)了底電極層的基底，先以300r/min低轉(zhuǎn)速勻膠8s，再以3000r/min的高轉(zhuǎn)速勻膠40s，使得MWCNT溶液均勻的旋涂在已鍍底電極的基底上，獲得MWCNT薄膜。
[0050](4)生長(zhǎng)源極和漏極
[0051]將掩膜版覆蓋在MWCNT條紋陣列上，將Pt靶材置于靶材架上，通過(guò)掩膜版采用直流濺射儀制備源漏電極，其溝道長(zhǎng)度為100 μ m,寬度為1050 μ m。
[0052]為了測(cè)試本對(duì)比例的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能，將樣品置于管式退火爐中于氮?dú)鈿夥罩?00°C下退火8min，以保證源漏電極與溝道層的良好接觸。采用安捷倫B1500A型半導(dǎo)體器件分析儀測(cè)試鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線(如圖7)和轉(zhuǎn)移特性曲線(如圖8)。由其結(jié)果可知，本對(duì)比例晶體管的輸出特性曲線不好，沒(méi)有明顯的飽和區(qū)，開(kāi)關(guān)比為10。通過(guò)圖7、圖8與圖3、圖4的對(duì)比可以看出，與以網(wǎng)絡(luò)CNT作溝道的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比，以CNT條紋陣列作為溝道的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有較好的輸出特性和較大的開(kāi)關(guān)比。
[0053]實(shí)施例2
[0054]本實(shí)施例是以重?fù)诫sη型Si為基底和底電極，以BNT為鐵電薄膜絕緣柵材料、規(guī)整性BWCNT條紋陣列為溝道材料、Pt為源極和漏極材料的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具體步驟如下:
[0055](I)生長(zhǎng)底電極
[0056]以重?fù)诫sη型Si作為鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基底和底電極。
[0057](2)生長(zhǎng)BNT鐵電薄膜 [0058]采用溶膠-凝膠法。BNT前驅(qū)體溶液的配置過(guò)程同實(shí)施例1，ΒΝΤ薄膜的熱處理過(guò)程為:①180°C,5min ;@ 400°C，5min ；? 800°C, 20mino取出樣品繼續(xù)旋涂BNT薄膜，重復(fù)上述過(guò)程5次，得到厚度均勻，厚度為340nm的BNT薄膜。
[0059](3)生長(zhǎng)規(guī)整性BWCNT條紋陣列
[0060]首先，BWCNT前驅(qū)體溶液的配制及制備過(guò)程同實(shí)施例1，BWCNT的質(zhì)量為12mg、分散溶液靜止放置3h、離心速率為9000r/min。
[0061]其次，規(guī)整性BWCNT條紋陣列的制備過(guò)程同實(shí)施例1，BffCNT濃度為10mg/L、基底傾斜角度為85°、恒溫箱溫度為60°C。制備的規(guī)整排列的BWCNT條紋寬度為15 μ m、條紋厚度為120nm、條紋間距寬度為40 μ m。
[0062](4)生長(zhǎng)源極和漏極
[0063]生長(zhǎng)源極和漏極同實(shí)施例1,溝道長(zhǎng)度為200 μ m、寬度為1500 μ m。
[0064]實(shí)施例3
[0065]本實(shí)施例是在單晶Si基底上制備以Au為底電極材料、BNT為鐵電薄膜絕緣柵材料、規(guī)整性SWCNT條紋陣列為溝道材料、Pt為源極和漏極材料的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具體步驟如下:
[0066](I)生長(zhǎng)Au底電極
[0067]清洗單晶Si片，將Au靶材放置于靶材架上，通過(guò)真空蒸發(fā)鍍膜法沉積Au金屬底電極。
[0068](2)生長(zhǎng)BNT鐵電薄膜
[0069]采用溶膠-凝膠法。BNT前驅(qū)體溶液的配置及制備過(guò)程同實(shí)施例1，BNT薄膜的熱處理過(guò)程為 ?①180°C，5min ;@400°C，5min 700°C，IOmin。取出樣品繼續(xù)旋涂BNT薄膜，重復(fù)上述過(guò)程7次，得到厚度均勻，厚度為380nm的BNT薄膜。[0070](3)生長(zhǎng)規(guī)整性SWCNT條紋陣列
[0071]首先，SffCNT前驅(qū)體溶液的配置過(guò)程同實(shí)施例1，SWCNT的質(zhì)量為15mg、分散溶液靜止放置2h、離心速率為7000r/min。
[0072]其次，規(guī)整性SWCNT條紋陣列的制備過(guò)程同實(shí)施例1，SWCNT的濃度為6mg/L、基底傾斜角度為75°、恒溫箱中溫度為55°C。制備的規(guī)整排列的SWCNT條紋寬度為50 μ m、條紋厚度為300nm、條紋間距寬度為16 μ m。
[0073](4)生長(zhǎng)源極和漏極
[0074]生長(zhǎng)源極和漏極同實(shí)施例1,溝道長(zhǎng)度為200 μ m,寬度為1500 μ m。
[0075]實(shí)施例4
[0076]本實(shí)施例是以重?fù)诫sη型Si為基底和底電極，以BNT為鐵電薄膜絕緣柵材料、規(guī)整性MWCNT條紋陣列為溝道材料、Pt為源極和漏極材料的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具體步驟如下:
[0077](I)生長(zhǎng)底電極
[0078]以重?fù)诫sη型Si作為鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基底和底電極。
[0079](2)生長(zhǎng)BNT鐵電薄膜
[0080]采用脈沖激光沉積法。在真空腔中，將BNT靶材安裝于靶材架上，將重?fù)诫sη型Si基底清洗干凈后安裝在基底架上，使激光束的方向?qū)?zhǔn)BNT靶材，調(diào)節(jié)基底與靶材的距離至87mm。依次打開(kāi)機(jī)械泵和分子泵,將真空腔內(nèi)的壓強(qiáng)抽至I X 10_7mTorr。開(kāi)啟KrF固體激光器(激光波長(zhǎng)為248nm)，調(diào)整好激光器的單脈沖的能量至320mJ，激光重復(fù)頻率為IOHz ;再往真空腔內(nèi)通入氧氣，氧氣壓強(qiáng)為200mTorr，打開(kāi)基底加熱器裝置，將基底升溫至7000C ;將激光器發(fā)射的激光束輻照在BNT靶材上，開(kāi)始鍍膜；鍍膜120min后，得到平均厚度為310nm的BNT薄膜，鍍膜結(jié)束，依次關(guān)閉激光器、氧氣閥門、基底加熱控制器、分子泵和機(jī)械泵，經(jīng)過(guò)3h后取出樣品。
[0081 ] (3)生長(zhǎng)規(guī)整性MWCNT條紋陣列
[0082]首先，MWCNT前驅(qū)體溶液的配置過(guò)程同實(shí)施例1，MWCNT的質(zhì)量為10mg、分散溶液靜止放置2.5h、離心速率為7000r/min。
[0083]其次，規(guī)整性MWCNT條紋陣列的制備過(guò)程同實(shí)施例1，MWCNT的濃度為15mg/L、基底傾斜角度為90°、恒溫箱中溫度為70°C。制備的規(guī)整排列的MWCNT條紋寬度為13 μ m、厚度為150nm、條紋間距寬度為35 μ m。
[0084](4)生長(zhǎng)源極和漏極
[0085]生長(zhǎng)源極和漏極同實(shí)施例1,溝道長(zhǎng)度為100 μ m,寬度為3000 μ m。
[0086]實(shí)施例5
[0087]本實(shí)施例是以重?fù)诫sη型Si為基底和底電極，PZT為鐵電薄膜絕緣柵材料、規(guī)整性BWCNT條紋陣列為溝道材料、Au為源極和漏極材料的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具體步驟如下:
[0088](I)生長(zhǎng)底電極
[0089]以重?fù)诫sη型Si作為鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基底和底電極。
[0090](2)生長(zhǎng)PZT鐵電薄膜
[0091]采用脈沖激光沉積法。PZT鐵電薄膜的制備過(guò)程同實(shí)施例4，靶材為ΡΖΤ、基底與靶材的距離至87mm、真空腔內(nèi)的壓強(qiáng)為I X KTmTorr、激光器的單脈沖的能量為300mJ、激光重復(fù)頻率為10Hz、氧氣壓強(qiáng)為IOOmTorr、基底溫度為600°C、鍍膜為90min。制備的PZT薄膜的平均厚度為350nm。
[0092](3)生長(zhǎng)規(guī)整性BWCNT條紋陣列
[0093]首先，BWCNT前驅(qū)體溶液的配置過(guò)程同實(shí)施例1，BWCNT的質(zhì)量為13mg、分散溶液靜止放置1.5h、離心速率為9500r/min。
[0094]其次，規(guī)整性BWCNT條紋陣列的制備過(guò)程同實(shí)施例1，BWCNT的濃度為5mg/L、基底傾斜角度為70°、恒溫箱中溫度為50°C。制備的規(guī)整排列的BWCNT條紋寬度為25 μ m、厚度為150nm、條紋間距寬度為60 μ m。
[0095]4)生長(zhǎng)源極和漏極
[0096]生長(zhǎng)源極和漏極同實(shí)施例1,祀材為金屬Au、溝道長(zhǎng)度為1050 μ m、寬度為1000 μ mD
[0097]對(duì)比例2
[0098]對(duì)比文件200710099321.1中，以半導(dǎo)體納米材料作為溝道層的鐵電晶體管，其開(kāi)態(tài)電流僅為3.5X10_8A。本發(fā)明的以碳納米管條紋陣列作為溝道層的鐵電晶體管與其相比，不僅操作方法更為簡(jiǎn)單，且具有較大的開(kāi)態(tài)電流。
【權(quán)利要求】
1.一種基于規(guī)整性碳納米管條紋陣列的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，該晶體管單元結(jié)構(gòu)為:底層為底電極層(I);中間層依次為鐵電薄膜絕緣柵層(2)和規(guī)整性碳納米管條紋陣列溝道層(3)，規(guī)整性碳納米管條紋陣列溝道層(3)上為頂層，頂層為晶體管源極(4)和漏極(5);所述的碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，碳納米管條紋的寬度為0.05-100 μ m，碳納米管條紋的厚度為50-500nm，碳納米管條紋的間距寬度為15-70 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，晶體管源極(4)和漏極(5)之間的距離為0.05-1000 μ m，垂直于源極(4)和漏極(5)之間距離的晶體管溝道寬度為50-5000 μ mD
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述的底電極層材料為Pt、Au、Al、T1、Sn:1n2O3、LaNiO3、SrRuO3 中的任意一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述的鐵電薄膜材料為鈦酸鉛、鈦酸鋇、鉭酸鍶鉍、鈦酸鉍、鐵酸鉍中的任意一種，或?yàn)閾诫sLa、Nd、Sr、Zr、Mn、V、W、Mo元素中的一種或幾種的所述鐵電薄膜材料中的任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述的鐵電薄膜的厚度為50_500nm。
7.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述源極和漏極的材料為Pt、Au、Al、T1、Sn:1n2O3> LaNiO3^ SrRuO3 或石墨烯中的任意一種。
8.權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:[I]采用真空蒸發(fā)鍍膜法或者脈沖激光沉積法生長(zhǎng)底電極層；[2]采用溶膠-凝膠法、激光分子束外延法、金屬有機(jī)氣相沉積法、脈沖激光沉積法或者磁控濺射法生長(zhǎng)鐵電薄膜絕緣柵層；[3]生長(zhǎng)規(guī)整性碳納米管條紋陣列溝道層:稱取碳納米管放入1，2-二氯乙烷有機(jī)溶劑中，進(jìn)行超聲分散得到分散溶液，之后進(jìn)行離心，收集離心后的上層分散液，得到碳納米管前驅(qū)體溶液；將已經(jīng)制備了底電極層和鐵電薄膜絕緣柵層的基底傾斜置于碳納米管前驅(qū)體溶液中，在50-90°C下進(jìn)行碳納米管恒溫自組裝，直到溶劑完全揮發(fā)得到規(guī)整排列的碳納米管條紋陣列；[4]在規(guī)整排列的碳納米管條紋陣列上面放上掩膜板，采用濺射方法生長(zhǎng)晶體管的源極和漏極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，所述的規(guī)整性碳納米管條紋陳列的生長(zhǎng)方法中，所述的碳納米管前驅(qū)體溶液濃度為2-30mg/L ;所述的基底傾斜角度為60-90°。
【文檔編號(hào)】H01L29/41GK104009091SQ201410249488
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】鐘向麗, 劉盼盼, 宋宏甲, 王金斌, 李波, 周益春 申請(qǐng)人:湘潭大學(xué)